KR20020030589A - 화학 기계적 연마장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마장치에 관한 것으로 연마부산물 배출부에 비저항 측정기를 장착하여 연마부산물의 비저항을 측정하므로써 연마 종료점을 검출하여 웨이퍼의 미연마 및 과연마를 방지한 장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 상면에 연마패드가 덮여있고 자체 회전이 가능한 연마판과, 웨이퍼를 접착하여 상기 연마패드에 가압하여 마찰하므로써 웨이퍼 표면을 연마하는 헤드와, 연마액 및 연마부산물이 배출되는 배출부로 이루어진 웨이퍼 연마장치에 있어서, 연마 부산물의 비저항을 측정하여 전기 신호로 변환시키는 비저항 측정기와, 비저항 측정기로부터 신호를 수신하여 상기 헤드 및 연마 패드의 동작을 제어하는 제어부를 더 구비하여 구성된다.

Description

화학 기계적 연마장치 {Chemical Mechanical Polishing Apparatus}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로 특히, 장치내의 배출부에 비저항 측정기를 장착하여 웨이퍼 연마 종료점(End Point)를 정확하고 간편하게 찾아냄으로써 웨이퍼의 미연마(Under Polishing) 및 과연마(Over Polishing)를 방지하고자 한 것이다. 반도체 제조 공정중 실시되는 웨이퍼의 연마공정은 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)장치에 의해 수행된다.

화학 기계적 연마는 산화실리콘 또는 질화실리콘등의 절연층과 배선등으로 사용되는 메탈층등의 피식각층을 평탄화하기 위해 웨이퍼의 전면을 연마하는 것으로, 연마판과 웨이퍼 상면에서 작용하는 기계적인 힘에 의한 압력의 상호작용 및 회전에 의한 마찰에 의해 연마가 이루어진다.

이하, 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구조 및 동작에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 단면도 이다.

도면에서 보인 바와 같이, 종래의 화학 기계적 연마 장치에서 헤드(1)는 장치 상측에 설치되며 헤드(1)의 하면에는 접착력을 갖는 접착 필름(2) 이 중앙부에 부착되어 웨이퍼(3) 배면과 접착한다. 헤드(1)는 연결된 구동수단(미도시)에 의해 상하, 좌우 및 곡선운동을 한다. 헤드(1)에서 소정간격 하부로 이격된 위치에는 상면에 연마패드(4)가 부착된 연마판(5)이 설치되며 연마판(5) 역시 구동장치(미도시)에 연결되어 있어 회전(자전)한다.

헤드(1)의 하면에는 압전소자(6)가 부착되어 헤드(1) 내부에 설치된 압력 센서(7)로 전기신호를 전달하고 다시 압력 센서(7)에서는 제어부(미도시)로 전기신호를 전달하여 마찰력의 변화에 의한 전기신호 변화를 감지하여 연마 종료점을 검출한다.

장치 상부 일측에는 연마액 분사노즐(8)이 형성되어 연마액 공급부(9)로부터 공급된 연마액을 연마패드(4)상으로 공급한다.

그리고, 배출조(11)와 배출조로부터 연마액 공급부(9)로 연결된 배출관(10)이 설치되어 있어 연마액 및 연마공정중 생성되는 부산물은 배출관(10)을 통해 연마액 공급부(9)로 되돌아간다. 연마액 공급부(9)에서는 유입된 연마액과 연마 부산물을 여과(Filtering)시켜 연마액을 다시 분사노즐(8)로 보낸다.

이하, 종래 화학 기계적 연마 장치의 동작을 설명한다.

최초, 웨이퍼(3)를 부착하고 있는 헤드(1)와, 상면에 연마패드(4)가 부착되고 구동장치(미도시)에 연결된 연마판(5)은 소정간격 분리되어 있다.

연마판(5) 상으로 연마액이 공급되면 연마판(5)이 회전(자전)하고, 제어부의 신호에 의해 헤드(1)가 하강하여 웨이퍼(3) 전면과 연마패드(4)가 접촉하면서 웨이퍼가 연마되기 시작한다.

이때, 헤드(1) 내부에 설치된 압력 센서(7)에서는 계속해서 마찰력에 의한 압력의 변화를 감지하여 이를 전기 신호로 변환시킨 후 제어부로 보낸다.

이후, 연마되는 웨이퍼(3) 전면의 재질이 바뀌는 순간 즉, 웨이퍼 전면의 메탈막이 완전히 연마되고 웨이퍼의 산화막과 연마패드(4)가 접촉하게 되는 순간 압력 센서(7)의 신호값은 급변하게된다. 압력 센서(7)로부터 들어오는 신호에 의해 제어부가 이를 감지하면, 제어부는 연마판(5) 및 헤드(1)를 구동하는 구동장치에 신호를 보내어 연마판(5)의 회전동작을 멈추게 하고, 헤드(1)를 상승시켜 연마패드(4)에 접촉되어 있던 웨이퍼(3)를 연마패드(4)로부터 분리시킨다.

상술한 것 외에 패드 척에 광 센서를 장착하여 연마패드 사이로 광을 발산하여 반사되어 오는 광의 시간차에 의한 주행거리차이를 계산하는 장치도 있다.

하지만 전술한 장치의 경우 연마판 및 헤드의 진동에 의해 발생하는 오차가 크기 때문에 마찰력의 실제 변화 시점이 정확하게 검출되지 않으며, 후술한 장치의 경우에는 진동에 의한 오차에 대해 전술한 종래 장치보다 더욱 민감하므로 종래의 장치들에서는 정확한 연마 종료점을 검출하여 연마를 제어하기 힘들다.

따라서, 웨이퍼가 미연마 혹은 과연마 된 불량 웨이퍼가 많이 발생되었으며, 장치가 복잡하고 고장이 빈번하다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 간단한 구조를 가지면서도 정확한 연마 종료점을 검출할 수 있어 웨이퍼 과연마 및 미연마를 방지하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은 상면에 연마패드가 덮여있고 자체 회전이 가능한 연마판과, 웨이퍼를 접착하여 상기 연마패드에 가압하여 마찰하므로써 웨이퍼 표면을 연마하는 헤드와, 연마액 및 연마부산물이 배출되는 배출부로 이루어진 웨이퍼 연마장치에 있어서, 연마 부산물의 비저항을 측정하여 전기 신호로 변환시키는 비저항 측정기와, 비저항 측정기로부터 신호를 수신하여 상기 헤드 및 연마 패드의 동작을 제어하는 제어부를 더 구비하여 이루어지는 것이 특징이다.

또한, 비저항 측정기는 배출부의 배출관 내에 설치하고, 메탈막 연마공정시 제어부는 비저항 값이 설정값 이상으로 상승하면 헤드 및 패드의 동작을 멈추도록 한다.

도 1은 종래의 화학 기계적 연마장치의 단면도.

도 2a는 본 발명에 의한 화학 기계적 연마장치의 단면도.

도 2b는 본 발명의 화학 기계적 연마장치의 전기신호 흐름도.

도 3a는 메탈막 연마공정 전의 웨이퍼 종단면도.

도 3b는 메탈막 연마공정 후의 웨이퍼 종단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21: 헤드 22: 접착 필름

23: 웨이퍼 23-1: 메탈막

23-2: 산화막24: 연마 패드

25: 연마판26: 비저항 측정기

28: 연마액 분사노즐29: 연마액 공급부

30: 배출관 31: 배출조

32: 제어부

본 발명은 연마 공정에서 발생하는 연마 부산물의 비저항 값을 측정하여 연마 종료점을 검출해 내는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.

본 발명의 화학 기계적 연마장치는 여러 가지 화학 기계적 연마 공정에 적용할 수 있으나, 본 실시예에서는 웨이퍼 전면에서 메탈막(Metal Film)을 제거해 내는 메탈막 연마 공정을 수행하는 화학 기계적 연마 장치를 설명한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도 2a는 본 발명의 화학 기계적 연마 장치의 단면도 이고, 도 2b는 본 발명의 화학 기계적 연마장치의 전기신호 흐름도이다. 또, 도 3a는 메탈막 연마공정 전의 웨이퍼 종단면도이고, 도 3b는 메탈막 연마공정이 완료된 후의 웨이퍼 종단면도를 나타낸 것이다.

본 발명의 화학 기계적 연마 장치는 상면에 연마패드(24)가 덮여있고 자체 회전이 가능한 연마판(25)과, 웨이퍼(23)를 접착하여 상기 연마패드(24)에 가압하여 마찰하므로써 웨이퍼(23) 표면을 연마하는 헤드(21)와, 연마액 및 연마부산물이 배출되는 배출부(30,31)로 이루어진 웨이퍼(23) 연마장치에 있어서, 연마 부산물의 비저항을 측정하여 전기 신호로 변환시키는 비저항 측정기(26)와, 비저항 측정기(26)로부터 신호를 수신하여 상기 헤드(21) 및 연마패드(24)의 동작을 제어하는 제어부(32)를 더 구비하여 이루어진다.

장치 상부에는 헤드(21)가 설치되며 헤드(21) 하면 중앙에는 웨이퍼(23)를 접착하기 위한 접착 필름(22)이 부착되어 있어 웨이퍼(23) 배면과 접착하여 웨이퍼(23)를헤드(21)에 고정시킨다.

헤드(21)는 제어부(32)에 의해 제어되는 구동장치(미도시)에 연결되어 있어, 상하 및 좌우 직선운동과 곡선운동을 행한다.

헤드(21) 하측으로 소정간격 이격된 위치에는 연마판(25)이 설치된다.

연마판(25)의 상면에는 연마패드(24)가 접착되어 있다. 연마패드(24)는 웨이퍼(23)의 연마면과 직접 접촉되어 마찰에 의해 웨이퍼(23)를 연마한다.

이때, 웨이퍼는 실리콘 기판(23-3)상에 산화막(23-2) 및 메탈막(23-1)이 적층되어있는 상태이다.

연마판(25)은 구동장치(미도시)에 연결되어 있어 제어부(32)의 신호에 의해 회전(자전)한다.

연마판(25) 상부의 소정 간격 이격된 위치에는 헤드(21)외에도 연마액 분사노즐(28)이 설치된다. 연마액 분사노즐(28)은 연마액 공급부(29)에 연결되어 연마액을 공급받는데, 연마액 공급부(29)에서는 순수와 연마액 원액을 적정 비율로 섞어 연마액을 제조한 후, 제어부(32)의 신호에 따라 연마액 분사노즐(28)을 통해 연마판(25)으로 분사한다.

연마판(25) 주변에는 배출조(31)가 설치되어 있고 배출조(31) 하면 일측에는 연마액 및 연마 부산물을 장치 외부로 배출한 후, 연마액 공급부(29)로 재공급하는 배출관(30)이 연결되어 있다.

연마액 공급부(29)에서는 배출관으로부터 유입된 연마액 및 연마 부산물로부터 연마액을 여과시켜 다시 연마판으로 재 공급한다.

배출관(30) 입구에는 비저항 측정기(26)가 장착되어 연마판(25)으로부터 흘러 나오는 연마 부산물의 비저항을 측정한다. 비저항 측정기(26)는 제어부(32)에 연결되어 측정된 비저항 값을 전기적 신호로 변환하여 제어부(32)로 보낸다.

비저항(단위: Ω· cm)은 물질의 모양 및 크기의 함수인 저항(단위: Ω)과는 달리 물질의 고유의 상수(Parameter)이다.

따라서, 비저항값의 변화를 측정하여 피연마되는 물질의 변화를 감지할 수 있다.

이하, 본 발명의 화학 기계적 연마 장치의 동작을 설명한다.

연마판(25)에 연마패드(24)가 접착되고, 헤드(21) 하면에 웨이퍼(23) 배면이 접착되면 제어부(32)에서 신호를 보내 연마판(25)이 회전한다.

연마판(25) 상으로는 연마액 분사노즐(28)을 통해 액상의 연마액이 공급되며 제어부(32)의 신호에 의해 헤드(21)가 점점 하강한다.

헤드(21)에 부착된 웨이퍼(23)의 전면 즉, 메탈막(23-1)이 연마패드(24)와 접촉하면 헤드(21)는 연마패드(24) 쪽으로 일정한 압력을 가하면서 연마패드(24)의 회전(자전) 방향과 반대방향으로 연마패드(24) 표면을 회전(공전)한다.

따라서, 웨이퍼(23)를 누르는 압력과 웨이퍼와 연마판(25)의 마찰로 인해 웨이퍼(23) 전면의 메탈막(23-1)이 연마된다.

그러므로, 연마 부산물의 주성분은 메탈이다. 메탈 성분의 연마 부산물과 연마액은 서로 섞여 연마판(25)으로부터 배출조(31)로 흘러가서 배출관(30)을 통해 다시 연마액 공급부(29)로 들어가고, 연마액 공급부(29)에서는 연마액을 걸러내어 적정비율로 순수와 혼합한 후 분사노즐(28)을 통해 다시 연마패드(24)상으로 공급한다.

이때, 배출관(30)에는 비저항 측정기(26)가 설치되어 배출관 따라 흐르는 연마 부산물의 비저항을 측정하고, 그에 따른 전기신호를 제어부(32)로 보낸다.

연마가 진행되어 메탈막(23-1)이 모두 연마되고 산화막(23-2)이 연마되기 시작하면 연마 부산물에 산화막(23-2) 성분이 섞이게 된다.

그런데, 연마 부산물의 성분 중 메탈 함량이 줄어들면 비저항 값이 상승하므로 비저항 측정기(26)에서는 갑자기 높은 수치의 비저항이 측정된다.

제어부(32)에서는 비저항 측정기(26)로부터 전달된 전기신호에 의해 비저항의 변화를 감지하게되고, 이어서 연마판(25) 및 헤드(21)를 구동하는 구동장치(미도시)로 신호를 보내어 연마작업을 중지시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연마 종료점을 검출하는 수단이 실제 연마가 이루어지는 연마판 이나 헤드로부터 떨어진 배출관에 설치되므로 연마작업중의 진동이나 충격에 영향을 받지않게된다. 따라서, 정확한 연마종료점 검출이 가능하여 정밀한 웨이퍼 연마작업이 가능해진다. 또한, 연마 종료점을 검출하기 위한 수단인 비저항 측정기가 연마판이나 헤드에 장착되던 종래의 장치에 비해 구조가 단순해지고, 고장률이 낮아진다. 따라서, 공정수율이 증가하는등의 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 상면에 연마패드가 덮여있고 자체 회전이 가능한 연마판과, 웨이퍼를 접착하여 상기 연마패드에 가압하여 마찰하므로써 웨이퍼 표면을 연마하는 헤드와, 연마액 및 연마부산물이 배출되는 배출부로 이루어진 화학 기계적 연마장치에 있어서,

   상기 연마 부산물의 비저항을 측정하여 전기 신호로 변환시키는 비저항 측정기와,

   상기 비저항 측정기로부터 신호를 수신하여 상기 헤드 및 연마 패드의 동작을 제어하는 제어부를 더 구비하여 이루어진 것이 특징인 화학 기계적 연마장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 비저항 측정기는 상기 배출부의 배출관 내에 형성시킨 것이 특징인 화학 기계적 연마장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제어부는 비저항 값이 설정값 이상으로 상승하면 상기 헤드 및 패드의 동작을 멈추도록 하는 것이 특징인 화학 기계적 연마장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 제어부는 웨이퍼의 메탈막 연마 (Metal Film Polishing)공정시 사용되는 것이 특징인 화학 기계적 연마장치.